基于反射式太赫兹时域谱的水太赫兹光学参数测量与误差分析

利用垂直反射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术 测量了水的THz光学参数并对测 量误差进行了分析。测量过程中,把高阻Si片的空气-Si表面作为参考信号,Si-水表面最 为样 品信号,通过两者之比的传输函数计算得到了水的THz折射率和吸收率,然后应用误差传 播理论分析这些光学参数的误差。结果发现,折射率和吸收率误差中,由多次测量引入的随 机 误差在0.1~1.1THz范围内基本不变,而在接近0.1THz和1.1THz处误差变大,即呈现U型 分布。这表明,在接近0.1THz和1.1THz时, THz-TDS仪器的测量灵敏度下降;由高阻Si片厚 度和Si折射率误差引入的误差比THz-TDS多次测量引入的随机误差大得多,在 0.1~1.1THz 范围对应的水折射率误差分布较均匀,而对应水的吸收率误差随着频率的增加而增大。本文 的方法同样适用于类似的垂直反射式THz-TDS系统提取其它材料的THz光学参数及其误差 分析。     

不等光程法太赫兹波段材料光学参数的精确测量

近20年,太赫兹科学技术发展迅速,太赫兹波与物质之间的相互作用成为研究热点。理论推导并实验验证了一种提高太赫兹波段材料折射率、吸收系数等参数测量精度的方法。以两种厚度的高密度聚乙烯板（3.5 mm、5.0 mm）为样品,将不等光程测量法与常规太赫兹时域光谱测量方法进行比较,分别获得了0.5~2.5 THz频率范围的高密度聚乙烯的折射率和吸收系数,结果显示两种方法测量样品的折射率和吸收系数有较大的差异。常规法和不等光程法得到的折射率分别为1.505和1.483。常规法在1.465 THz附近出现一个峰值,而不等光程法得到的吸收系数在1.166 THz和2.431 THz出现特征吸收峰。证明不等光程法能更加精确提取材料光学参数,并可以揭示常规方法无法测得的材料特征吸收峰,为太赫兹波段精确测量材料光学参数提供了新的方法。     

基于太赫兹反射谱提取光学参数不确定度分析

利用太赫兹光谱技术计算物质的光学参数已成为各领域的研究重点。由于太赫兹系统以及算法提取过程依然存在缺陷,无法实现对物质光学参数的精确测量。为提高光学参数的测量准确度,对反射式太赫兹时域光谱系统进行全面的不确定度分析。首先分析了基于太赫兹反射时域光谱提取光学参数、折射率和消光系数的7种误差来源,并分别建立了折射率和消光系数的不确定度模型;然后,以葡萄糖多晶薄片样品为例,计算其在0.2~2.0 THz频段的折射率和消光系数的各种误差因素占综合不确定度的比例,总结误差因素对不确定度的贡献。其中,样品厚度测量的随机误差对折射率的影响最大,占总误差的80%;传递函数误差对消光系数的影响最大,占总误差的99%。最后,对减小折射率和消光系数的不确定度提出了建议,如采用自参考方法提取光学参数,采用智能优化算法对样品厚度和光学参数进行优化,修正Fabry-Perot效应等。     

太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术是最新的太赫兹技术,它基于宽波段太赫兹脉冲,可同时获得太赫兹波形的幅度和相位信息,在材料的远红外物性研究中有重要应用。本文涉及太赫兹时域光谱技术的基本特征、发射、探测技术和主要应用。     

纸太赫兹半波片的制作和测试

采用普通的打印纸经过简单工艺制作出纸太赫兹半波片。使用太赫兹时域光谱(THzTDS)技术,测量了纸波片在200 GHz~400 GHz的折射率、吸收系数、频谱、消光比、参数C等光学特性随纸波片取向的变化关系,将实验结果与理论分析相结合,发现该纸波片是对频率为282.5 GHz的半波片。     

表面粗糙度对太赫兹反射测量的影响

材料表面粗糙度会影响太赫兹无损检测结果。当材料表面粗糙度在微波区可以忽略不计时,在波长更短的太赫兹频段则需要考虑在内。研究讨论了在太赫兹频率下粗糙表面散射对反射谱的影响。通过考虑单个样品的反射模型,利用基尔霍夫近似可以将粗糙表面的反射信号与光滑表面的反射信号进行关联。此外,采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统对不同粗糙度的葡萄糖片进行了测量,并对其反射光谱进行了分析。反射光谱结果表明,由于表面粗糙度引起的漫散射减弱了接收端反射光谱的强度。为了减小粗糙度对光谱的影响,提出了一种能恢复光谱功率的补偿方法。在0.5 THz和1 THz时,具有360目粗糙度规格样品的功率谱分别增加了约3 dB和9 dB。因此,可以认为所提出的粗糙表面光谱补偿方法在未来太赫兹无损检测技术的发展中具有一个特定的参考价值。     

太赫兹计量研究进展

太赫兹技术的独特性和优越性吸引着众多科学研究者的关注,在生物医药、信息科学、公共安全、量子研究和太空探测等领域具有巨大应用潜力。这些应用的有效性和可信度都需要以太赫兹相关参数的量值溯源为前提。文章以太赫兹光谱、频率、功率和强度等参数为对象,介绍了太赫兹计量研究的最新进展,分析了各种计量技术的特点,以期促进太赫兹计量技术发展,保障太赫兹研究和应用的量值可靠。     

乳清酸的太赫兹光谱研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了乳清酸在10~120 cm-1的室温特征吸收谱;基于密度泛函理论,对乳清酸单个分子和晶胞周期结构的光学模式进行模拟计算。研究结果表明：乳清酸在10~120 cm-1波段范围内有3个明显的特征吸收峰,除95.5 cm-1的吸收峰来源于分子内和分子间相互作用外,其余2个特征吸收峰主要来源于分子间相互作用模式。乳清酸分子间的相互作用一定程度上遏制了其分子内振动强度。该研究将有助于工业生产中乳清酸的监测及其临床药理特性的分析。     

一种利用透射式太赫兹时域光谱技术精确提取样品折射率的方法

运用透射式太赫兹时域光谱技术提取可区分回波样品折射率,主要依靠测得信号的相位差计算得到.具体有两种方法:一是利用参考脉冲和太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号,二是利用太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号和经样品内部反射两次后的第二个透射信号.实际操作中入射光束与样品表面法线存在夹角,该夹角不易测量,计算时通常忽略,这会最终引起折射率的测量误差,且该误差与选用的折射率提取方法有关.在分析两种方法因夹角引起误差的基础上,提出一种全新的折射率修正方法,该方法能从理论上消除夹角引起的误差,同时实验验证了该方法的有效性.     

基于太赫兹透射谱的土壤含水量测量

液体水是一种极性液体,对太赫兹波有很强的吸收。土壤含水量的细微变化,会影响透射太赫兹波的特性。建立了一种基于时域太赫兹透射谱的土壤含水量测量方法。提出了土壤太赫兹参数的概念,给出了土壤含水量的计算公式。利用太赫兹时域频谱系统,对土壤样品进行了大量的测量,初步给出了土壤太赫兹参数的数值。通过对比该方法与称重法得到的含水量,表明其准确可行。     

太赫兹波对肠黏液的光谱检测

主要利用太赫兹时域光谱技术对人体正常肠组织表面黏液与癌变肠组织表面黏液进行检测.分别获得了不同样品在0.2 THz～0.8 THz波段的吸收系数和折射率.研究发现,新鲜正常肠组织表面黏液的太赫兹吸收与水的吸收接近,这提示水的贡献是主要的.同时,癌变肠组织表面黏液在吸收系数和折射率强度上普遍比正常肠组织表面黏液样品高,这表明该技术在癌组织检测中具有潜在的应用.研究结果表明,太赫兹时域光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广泛的应用前景.     

缺血大鼠脑组织的太赫兹波吸收特性研究

为了探讨不同缺血时间的大鼠脑组织在0.4THz~0.95THz频段内的吸收特征,采用线栓法制备大鼠脑缺血模型,利用透射式太赫兹时域光谱仪对缺血大鼠脑组织进行检测,并进行了理论分析和实验验证,取得了缺血大鼠脑组织在0.4THz~0.95THz频段内吸收系数。结果表明,缺血时间不同的脑组织对太赫兹波呈现出各异的吸收特性,这是由缺血所致脑损伤级联反应中的兴奋性氨基酸、无氧呼吸所产生的乳酸等中间产物以及钙离子超载导致一氧化氮大量合成所造成的。这一结果对于研究缺血脑损伤的病理机制具有一定的指导作用和应用价值。     

烷基化汽油中烃类物质含量的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了烷基化汽油中烯烃在太赫兹波段的性质。以烷基化汽油中的2,4,4-三甲基戊烯为例,分析了其不同浓度在太赫兹波段产生的光谱响应。结果表明, 对于烯烃含量不同的烷基化汽油,其信号中的峰强具有明显不同,并浓度的变化呈线性变化。利用时域谱最大值和最小值之和拟合而成的预测曲线对两种未知浓度样品进行预测,其误差均小于0.5%。同时对其不同频率下的吸收系数进行拟合与分析。根据太赫兹光谱最原始的幅值信息及其吸收系数可对其中烯烃含量进行快速定性,甚至是定量分析, 为烷基化汽油中烃含量和品质的定量检测作基础。     

导电聚苯胺在太赫兹波段的光电性能研究

导电聚苯胺是一种掺杂高分子半导体,内部含有大量的自由载流子,同时含有大量被束缚的载流子。本文利用太赫兹时域光谱装置测量了不同电导率的聚苯胺在0.3～2.8 THz的光谱特性,得到了其在太赫兹波段的吸收系数、折射率和介电常数等光电参数。研究了电导率对其吸收系数、折射率和介电常数的影响,对半导体材料中载流子与太赫兹波的相互作用的研究具有重要意义。     

室温下中药附子的太赫兹波谱分析

为了对中药附子的道地性和品种进行鉴别以及控制产品质量,采用了飞秒激光激发光电导天线的太赫兹时域光谱技术,对同一产地4种不同制片方式的附子样品在室温干燥环境进行了检测和分析。结果表明：附子的太赫兹时域谱包含有幅度和相位信息,频谱具有较好的重复性,4种附子样品频谱明显分为两组。4种样品的太赫兹折射率存在明显的差异,可对不同的制片方式进行直观鉴别。由于吸收随着频率增加而增加,纯附子压片样品的有效频谱范围为0.2～1.05 THz,在此频谱范围内没有明显的特征吸收峰,吸收谱与THz频谱一致,因此附子道地性鉴别应考虑因不同制片方式造成的差异。     

光电导太赫兹源回路电感对其辐射特性的影响

光电导太赫兹源（Photo-Conductive Antenna,PCA）已广泛用于太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）。在THz-TDS系统中,处于偏置状态的PCA被飞秒激光触发因光生载流子,在偏置电场下的加速运动而向自由空间辐射太赫兹波,同时在PCA偏置回路中形成脉冲电流。通常给PCA加载偏置电压的回路有不同结构的电路设计,导致PCA装架的基板回路不可避免地存在一定电感,由此引起的电磁惯性会显著影响回路中脉冲电流的脉宽,电流脉冲的脉宽会随回路电感的增大而展宽。那么PCA回路电感是否会影响PCA向自由空间辐射THz波的特性,这是设计PCA基板电路面临的问题所在。本文尝试在PCA回路中加入不同电感值的电感元件,通过实验测试了PCA辐射THz波的时域波形和频谱,结果表明,PCA回路电感的数值对PCA辐射THz波没有明显影响,从而对不同场合应用的PCA基板结构和电路设计提供了实验基础。     

太赫兹时域光谱分析中回波滤除方法研究

回波处理是提高太赫兹时域光谱系统频谱分辨率的重要方法.为了研究样品存在非线性吸收情况下的回波滤除方法,在解卷积算法的基础上考虑介质对太赫兹脉冲的吸收情况和群延迟效应,将已有算法所需的四个参数缩减为与样品种类、厚度无关的两个参数,进一步提高了太赫兹光谱恢复的准确度.经实验验证,该方法可有效滤除太赫兹时域光谱系统中的GaAs天线基底以及ZnTe探测晶体产生的回波,将时间窗宽度增加一倍,使系统频谱分辨率提高到20 GHz.     

太赫兹频率下镁掺杂对氧化锌纳米粉体介电性能的影响

利用偶极天线LT-GaAs发射的太赫兹时域光谱(THz-TDS)研究单晶氧化锌、未掺杂和Mg掺杂的ZnO纳米粉末(粒子)在室温下的太赫兹光谱特性。在0.2~2 THz频率范围内研究了样品的功率吸收和折射率。结果发现,镁掺杂提高了样品材料的吸收效率,同时降低了氧化锌材料的折射率。相比较氧化锌单晶,未掺杂和Mg掺杂氧化锌纳米颗粒的太赫兹介电性质呈现类似的行为,该结果与横向光学E1(TO)声子模式有关。     

二硝基苯甲酸同分异构体的太赫兹与红外光谱特性

利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别研究了2,4-, 2,5-, 3,4-, 3,5-二硝基苯甲酸的吸收谱.实验结果表明, 4种同分异构体的吸收光谱在红外波段(1 400~1 800 cm-1)表现出相似性, 而在太赫兹波段(0.3~2.2 THz)却存在非常明显的区别.利用密度泛函理论(DFT)对4种物质的吸收频谱进行计算, 并根据计算结果对吸收光谱的相似性和差异性进行解释.太赫兹时域光谱技术为鉴别物质的同分异构体提供了一种可行的手段.